Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Физико-географическое описание и основные характеристики карского моря 17
1.1. Географическое положение 17
1.2. История исследования 18
1.3. Океанографические характеристики 20
ГЛАВА 2. Материалы и методы 30
2.1. Методы определения гидрохимических параметров 30
2.2. Данные 37
2.3. Методика расчета вклада различных источников в формирование поверхностного опресненного слоя 42
ГЛАВА 3. Харктеристики пресных и морских вод карского моря, участвующих в формировании поверхностного опресненного слоя 46
3.1. Влияние пресноводного стока на формирование поверхностной структуры вод Карского моря 46
3.2. Морские воды 50
3.3. «Талые воды» в Карском море 52
3.4. Обская губа 54
3.5. Енисейский залив 60
ГЛАВА 4. Особенности распределения материкового стока и талых вод по акватории карского моря 66
4.1. Распространение речного стока по акватории моря 66
4.2. Распределение вод Оби, Енисея, а также талых вод в поверхностном слое Карского моря (по материалам экспедиционных исследований ИО РАН) 4.2.1. 49-й рейс НИС «Дмитрий Менделеев», 14.08-15.10.1993 69
4.2.2. 54-й рейс НИС «Академик Мстислав Келдыш», 9 – 30.09.2007 74
4.2.3. 57-й рейс НИС «Академик Мстислав Келдыш», 14.09 – 04.10.2011 78
4.2.4. 125-й рейс НИС «Профессор Штокман», 3.09 – 21.09.2013 з
4.2.5. 128-й рейс НИС «Профессор Штокман», 11.08 – 8.09.2014 91
ГЛАВА 5. Влияние стока талых вод с новой земли на гидрохимическую структуру поверхностного слоя карского моря 98
5.1. Географическое положение и район работ 98
5.2. Гидрохимическая структура вод заливов Новой Земли 102
5.3. Воздействие стока с Новой Земли на гидрохимические характеристики поверхностного слоя Карского моря 115
Заключение 125
Список литературы 128
- Океанографические характеристики
- Методика расчета вклада различных источников в формирование поверхностного опресненного слоя
- «Талые воды» в Карском море
- 57-й рейс НИС «Академик Мстислав Келдыш», 14.09 – 04.10.2011
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Карское море – шельфовое окраинное море (более 50% площади моря имеет глубину от 50 до 100 м). Уникальность его состоит в том, что оно принимает в себя огромный объем пресных вод. В море поступает более половины речного стока всех морей Сибирской Арктики или более трети всего речного стока в Арктику. Количество рек, впадающих в море, велико, но основная составляющая пресноводного баланса поступает из двух крупнейших рек России – Оби и Енисея. Кроме мощного материкового стока, в пресноводный баланс моря свой вклад вносят атмосферные осадки и воды, образующиеся при таянии льда, в том числе выносимого реками. Локальный вклад вносят пресноводный сток с островов, деградация покровных ледников и мерзлотных пород. Оценка воздействия различных источников пресных вод на поверхностный слой моря и анализ факторов, способствующих распространению материкового стока, позволяют уточнить представление о механизме формирования поверхностного опресненного слоя Карского моря.
Рассматривая только распределение солености вод в поверхностном
опресненном слое, сложно выделить речную составляющую пресноводного
баланса Карского моря, отделив ее от талых и атмосферных вод. Достоверно
идентифицировать речные воды можно, привлекая гидрохимические
показатели. Это связано с различным соотношением главных ионов в речных и морских водах. При смешении вод в поверхностном опресненном слое изменяется относительное содержание главных ионов (доля ионов в общей минерализации). Считается, что надежным индикатором присутствия речных вод служит отношение Alk/S (или УЩ – удельная щелочность). УЩ менее 0.07 характеризует чисто морскую воду, а более высокая величина УЩ свидетельствует о присутствии в том или ином количестве вод материкового стока [Смирнов, 1955] или талых вод. Для установления генезиса вод используется и изотопный состав воды [Bauch et al., 1995; Bauch et al., 2005; Дубинина и др., 2015], однако существующих данных недостаточно по
сравнению с имеющимся массивом данных, накопленным по результатам традиционных гидрохимических определений.
Цель работы: исследовать вклад материкового стока (главным образом, вод Обской губы и Енисея), а также талых вод в формирование поверхностного опресненного слоя Карского моря.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Оценка объема пресных вод, ежегодно поступающих в поверхностный (0-20 м) слой моря;
Определение гидрохимических характеристик (содержание кремния, общего углерода, общей щелочности) основных составляющих пресноводного баланса моря;
Расчет относительного вклада основных источников пресной воды в формирование поверхностного слоя Карского моря;
Анализ влияния гидрометеорологических условий на распространение пресной воды из основных источников;
Исследование влияния локальных источников пресных вод на гидрохимическую структуру прибрежной акватории Новой Земли.
Научная новизна исследования. Впервые проведена оценка вклада речных и талых вод в формирование поверхностного слоя Карского моря с применением модифицированного метода расчета, основанного на уравнении смешения нескольких типов вод. Отличительной особенностью расчета является применение гидрохимических характеристик смешивающихся вод вместо широко распространенного метода с использованием гидрологических параметров (температуры и солености).
Впервые проведена оценка доли талых вод в поверхностном опресненном слое, хотя ранее неоднократно отмечалось, что в процессе формирования поверхностного слоя они играют значительную роль.
Также в работе отражены уникальные результаты исследований малых водотоков Новой Земли и показано их воздействие на гидрохимическую структуру прибрежной акватории.
Защищаемые положения:
-
Установлено, что количество пресной воды, необходимой для формирования профиля солености в верхнем 20-метровом опресненном слое, связано с соленостью на поверхности определенной функциональной зависимостью.
-
Получено, что около 50% поверхностных вод Карского моря в летне-осенний сезон (август-сентябрь) составляют воды из Обской губы и Енисея, а также талые воды. Из этого количества порядка 25% занимают обские воды, енисейским принадлежит 10%, на долю талых вод приходится 15%.
-
На основании анализа гидрометеорологических данных и расчета вклада основных источников в формирование поверхностного опресненного слоя выявлено, что в силу сезонной особенности гидрологического режима Оби и Енисея в августе-сентябре отмечается преобладание обских вод над енисейскими.
-
Показано, что сток талых вод с восточного побережья Новой Земли обогащен биогенными элементами (минеральный азот, фосфор и кремний). Влияние пресных вод на изменение гидрохимической структуры поверхностного слоя прослеживается на расстоянии 10–40 км от источника.
Достоверность полученных результатов обеспечена современными
методиками определения гидрохимических параметров и элементов
карбонатной системы в морской воде, используемыми в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН). Приборная база Лаборатории биогидрохимии ИО РАН соответствует современному уровню и позволяет проводить высокоточные определения основных гидрохимических элементов.
Научное и практическое значение исследования. Изучение
распространения материкового стока и оценка влияния различных источников пресных вод позволяют уточнить механизм формирования поверхностного опресненного слоя Карского моря. Это имеет не только научное, но и практическое значение. В условиях возрастания антропогенной нагрузки на акваторию моря, ввиду нахождения здесь больших объемов углеводородного
сырья [Грамберг и Супруненко, 2000], и на бассейны водосборов рек, впадающих в него, необходимо не только исследовать пути переноса материкового стока как основного механизма транспортировки питательных и загрязняющих веществ, но и определять генезис пресных вод из различных источников. Это позволит выявлять места наиболее вероятного накопления загрязняющих веществ.
Расчет вклада различных источников в формирование поверхностного слоя Карского моря позволил уточнить представление о том, как по акватории моря распределяются воды самых крупных рек Сибири – Оби и Енисея. Выявленный объем пресных вод, поступающих в море в процессе таяния льдов (морских, речных, материковых), может использоваться для анализа межгодовой изменчивости характеристик ледового покрова в Карском море, а также в других арктических морях.
Полученная в работе оценка вклада водотоков Новой Земли в баланс биогенных элементов прибрежных акваторий может инициировать новые исследования роли водотоков многочисленных арктических островов в формировании биопродуктивности вод Северного Ледовитого океана.
Личный вклад автора:
-
Участие в экспедициях ИО РАН в Карское море в 2011, 2013, 2014 гг., в ходе которых были получены данные, использованные в работе;
-
Отбор проб и лабораторный анализ биогенных элементов, рН, общей щелочности, растворенного кислорода в указанных экспедициях;
-
Камеральная обработка и анализ полученных в экспедициях данных и архивных материалов по экспедициям в Карское море;
-
Постановка лабораторных экспериментов по выщелачиванию минеральных форм биогенных элементов и неорганического углерода из образцов пород, слагающих берега заливов Новой Земли;
-
Подготовка полученных результатов к публикации, а также представление их на российских и международных конференциях.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены и
обсуждались на Ученом совете Физического направления ИО РАН (2015 г.), а также российских (Школа по морской геологии 2013 г., Москва; Экосистема Карского моря 2015 г., Москва) и международных (EGU General Assembly в 2012, 2013, 2015 и 2016 гг. в Вене, Австрия; рабочая встреча по проекту GEOTRACES в Москве в 2012 г.; AOGS General Assembly 2012 в Сингапуре; Arctic Ocean Acidification 2013 в Бергене, Норвегия; Ocean Sciences Meeting 2014 в Гонолулу, США; 26 IUGG General Assembly 2015 в Праге, Чешская Республика) конференциях.
Публикации соискателя по теме диссертации. Материалы диссертации полностью изложены в работах, опубликованных соискателем. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 7 статей в рецензируемых научных изданиях из списка, рекомендованного ВАК [1-7], одна статья в международном рецензируемом издании из списка, рекомендованного ВАК [8], 8 статей и тезисов в сборниках докладов российских и международных научных конференций [9-16].
Благодарности. Автор выражает признательность своему научному
руководителю д.г.н. П.Н. Маккавееву. Автор благодарит д.б.н., члена-корр.
РАН М.В. Флинта за возможность участия в экспедициях ИО РАН в Карское
море, к.ф.-м.н. С.А. Щуку за предоставление основополагающих данных по
температуре и солености вод Карского моря, к.г.н. А.И. Шикломанова за
предоставление ценных данных по стоку рек, к.ф.-м.н. А.А. Осадчиева и А.А.
Недоспасова за помощь в получении данных реанализа, к.ф.-м.н. П.А.
Стунжаса за ценные комментарии и интерес к работе, Lars-Otto Reirsen (AMAP,
Норвегия) за поддержку участия в международных конференциях, к.г.-м.н. Н.А.
Шульгу, к.т.н. Г.В. Айзеля за ценные комментарии при подготовке работы.
Автор также благодарит соавторов публикаций за плодотворное
сотрудничество и всех, с кем посчастливилось работать в экспедициях в Карское море. Особая благодарность выражается семье и друзьям за терпение и поддержку при подготовке автором диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
заключения, списка использованных источников, приложения. Объем работы составляет 149 страниц. Текст диссертации содержит 63 рисунка и 13 таблиц. Библиографический список включает в себя 113 наименований, в том числе 24 на иностранных языках. В приложении содержится 8 таблиц.
Океанографические характеристики
Первые измерения температуры и солености датированы августом 1901 г. В 1921 г. появляются эпизодические измерения растворенного кислорода, а с 1930 г. уже измеряют рН и общую щелочность. Всего в архиве имеется: 179183 горизонта с измеренной температурой, 178179 горизонтов с соленостью, 14251 значение растворенного кислорода, 4229 измерений рН, 1386 анализов общей щелочности, 4359 горизонтов с минеральным кремнием, 4686 горизонтов с растворенным кремнием, а также 697 и 137 анализов нитратного и нитритного азота соответственно.
Гидрометеорологические данные.
Для качественного анализа распределения речного стока по акватории Карского моря в работе учитывался ряд гидрометеорологических факторов, таких как процессы, происходящих в атмосфере, а также характеристик речного стока и ледовый режим акватории.
При описании распространения речного стока в диссертации используются данные Росгидромета по расходу речной воды в Оби и Енисее, полученные в результате личных контактов автора с научным сотрудником ААНИИ А.И. Шикломановым, одним из авторов R-ArcticNET (The Regional Arctic Hydrographic Network data set) [Lammers et al., 2001]. В распоряжении автора имеются данные по среднемесячному расходу р. Обь на гидропосте в районе г. Салехард, а также на гидропосте на р. Енисей в районе г. Игарка. Интервал этих данных охватывает период с 1993 по 2011 гг. Кроме того, для 2013 и 2014 гг. используются данные по расходу указанных рек, находящиеся в открытом доступе на сайте http://www.arcticgreatrivers.org/. Это проект Arctic Great Rivers Observatory, собирающий данные по стоку рек Обь, Енисей, Лена, Колыма, Юкон и Маккензи. Массив данных проекта ведет свое начало с 1999 г., продолжается по настоящее время и постоянно обновляется, включая в себя всю информацию по стоку рек (за каждый день), а также фрагментарные данные по гидрохимическим характеристикам речных вод.
Для получения материалов по динамическому воздействию ветра на поверхностный слой моря использовались данные реанализа NCEP/NCAR [Kalnay et al., 1996] (http://www.cdc.noaa.gov). Разрешение реанализа составляет 6 часов. Таким образом, за сутки можно 4 раза наблюдать изменения динамики приводного слоя атмосферы. Визуализация данных для требуемых временных интервалов осуществлялась с помощью программы “FOTS”, созданной в 2012 г. в Отделе дистанционных методов исследования Морского гидрофизического института Национальной академии наук Украины, г. Севастополь.
Так как в работе учитывается влияние талых вод морского и речного льда на поверхностный слой моря, необходимо иметь информацию о ледовых условиях в Карском море. Для определения времени начала ледостава, возраста и толщины льда на разных его участках, а также сплоченности льда в период таяния в работе используются обзорные ледовые карты СЛО Центра ледовой и гидрометеорологической информации (http://www.aari.nw.ru). Данные карты обновляются еженедельно, поэтому за год набирается порядка 54 карт о возрасте и толщине льда, что позволяет сделать достаточно обоснованные выводы о количестве талой воды, участвующей в опреснении поверхностного слоя моря.
Для изучения вклада отдельных источников в формирование поверхностных вод можно применять методов. Во-первых, это регрессионный анализ. По натурным данным для различных районов моря несколько были подобраны уравнения регрессии для величин щелочности и содержания кремния с соленостью. C = A0 + S Aj, (1) где A0 свободный член и Aj - эмпирические коэффициенты, S - соленость, С - содержание какого-либо химического параметра. Величина свободного члена А0 может быть интерпретирована как значение параметра при нулевой солености, в данном случае указывала на содержание щелочности или кремния в речных водах.
В работе применяется подход, разработанный в Лаборатории биогидрохимии ИО РАН [Власова и др., 2005]. Он исходит из предположения о том, что при смешении вод величина консервативного (или квазиконсервативного) параметра Со будет описываться следующим уравнением: CoVo=C1V1+C2V2+C3V3+ , (2) где Vi -объем / -водной массы, а Сг - величина соответствующего параметра; учитывая, что V0= ТУг можно выразить относительный вклад каждой отдельной водной массы как Кг=Уг/Уо. Тогда уравнение приобретает вид
Предполагая, что сумма относительных вкладов каждой водной массы ,-=1, получается система линейных уравнений, которую можно решить относительно К, зная величины параметров Сг. Причем при использовании N параметров можно проводить расчеты для iV+1 водной массы. Методика расчета вклада различных источников в формирование поверхностного опресненного слоя на основе уравнений смешения была описана в работах [Власова и др., 2005; Anderson et al, 2004].
При подготовке данной работы этот метод был усовершенствован автором. Вначале, по данным о минерализации, рассчитывалась доля пресных вод, которая необходима для формирования профиля поверхностного опресненного слоя. Расчет производился до глубины 20 метров, либо до достижения максимального значения солености, которая наблюдалась в поверхностном слое за весь период работ и характеризовала чисто морские воды. По уравнению смешения и гидрохимическим характеристикам вод открытой части моря рассчитывалось содержание Cto, растворенного кремния, минерализации и величины Alk для «гипотетической» воды, необходимой для формирования вод поверхностного слоя, пока не разделяя по различным источникам. И уже для данной «гипотетической» воды рассчитывались доли вод Оби, Енисея и талых вод. Было предположено, что именно эти воды составляют большую часть пресного стока по акватории моря.
Этот метод успешно работает при существенном разнообразии состава источников вод. Состав химического стока рек индивидуален для каждой реки и определяется типами почв и пород, слагающих подстилающую поверхность бассейна ее водосбора. Особенно благоприятно для настоящей работы то, что различие химического состава вод хорошо проявляется для вод Оби и Енисея [Маккавеев и Хлебопашев, 2005; Holmes et al., 2001; Makkaveev et al., 2001]. Протекающие по болотистым равнинам воды Оби содержат больше соединений азота и растворенной двуокиси углерода, чем воды Енисея, которые, по сравнению с Обью, обогащены кремнием и карбонатным углеродом [Маккавеев и Стунжас, 1994].
Основные сложности при применении этого метода связаны с выбором величин соответствующего параметра (Сi) для конечных точек смешения (воды Енисея, Оби и талые воды). Сложности эти связаны с перемешиванием речных вод в море, наличием на акватории пресных вод другого генезиса – от таяния льда и талых вод с островов и материка, а также с сезонной изменчивостью химического состава речных вод между половодьем и меженью; межгодовой изменчивостью параметров из-за изменения объема речного стока. Однако следует учесть, что основная часть речных вод в данном регионе выходит во время половодья, вклад меженных вод весьма скромен [Эстуарно-дельтовые системы…, 2007].
Учитывая значительный объем Енисейского залива и, особенно, Обской губы, можно считать, что за величины содержания Ctot, растворенного кремния, минерализации и величины Alk для двух данных рек можно принять результаты их измерения в пресной части губы или залива в данном году. Естественно, если они имелись. В случае отсутствия наблюдений непосредственно в устье рек использовались свободные члены уравнений регрессии для поверхностных вод в приустьевом районе данной реки. В таблице 2.9 приведены величины параметров, использованных при расчетах, как полученные непосредственно во время рейсов, так и рассчитанные по величине свободного члена уравнения регрессии.
Методика расчета вклада различных источников в формирование поверхностного опресненного слоя
По С.В. Пивоварову, «Океанографические съемки, выполненные в навигационный период, фиксируют в поверхностной структурной зоне Карского моря результат сложного взаимодействия речной воды, сбрасываемой в паводок рекам Обь и Енисей, с морскими водными массами, сформированными в зимний период. В этом процессе участвуют также большие объемы пресной воды, высвобождаемые в результате таяния морского и речного льда. Интенсивность перемешивания этих трех разных по химическим свойствам вод зависит от погодных условий: направления и силы ветра, температуры воздуха и облачности, которая регулирует поступление солнечной радиации. Кроме того, биологические и физико-химические процессы непрерывно, но с изменяющейся интенсивностью участвуют в формировании химических свойств водных масс, образующихся в результате перемешивания» [Пивоваров, 2000].
По данным [Pivovarov et al., 2003], годовой объем льда в акватории моря – 930 км3. Ледообразование начинается в северных районах моря в сентябре-октябре, очищаться ото льда море начинает в июне. Большая часть льда, покрывающего зимой акваторию моря, тает, ежегодно остается не более 25% от всего объема. Таким образом, в поверхностный слой моря дополнительно поступает более 600 км3 пресных вод, и пренебрегать таким объемом пресной воды (сопоставимо с ежегодным стоком из Обской губы или Енисея) недопустимо. Необходимо учесть, что часть талой воды перемещается течениями на север бассейна СЛО, а также в восточном направлении, то есть объем льда, принимающий непосредственное участие в опреснении поверхностного слоя, варьирует от 100 до 300 км3.
Чтобы оценить влияния биогенных элементов, выносимых с речным льдом, на экосистемы морских арктических акваторий, необходимо определить возможную концентрацию биогенных элементов в толще ледяного покрова. Содержание биогенных элементов в речной воде (в общем случае) существенно превышает их содержание в морской воде. Для выяснения процентного соотношения концентраций биогенных элементов во льду и в воде при заданном содержании в первоначальном субстрате сотрудниками Лаборатории биогидрохимии проводились эксперименты по исследованию содержания биогенных элементов в пресноводном льду. Процентное соотношение концентраций биогенных элементов во льду и в воде, полученное в ходе эксперимента, близко к среднестатистическому соотношению концентраций в природных условиях. Различие результатов первого (2003 г.) и второго (2006 г.) экспериментов показали зависимость содержания химических веществ во льду от метеорологических условий в период льдообразования [Хлебопашев, 2006]. Эксперименты показывают, что лед, образовавшийся в лабораторных условиях, содержит значимое количество биогенных элементов. В природных же условиях содержание биогенных элементов и, одновременно, органического вещества, тяжелых металлов, взвеси и т.д., естественно, будет существенно выше.
По данным эксперимента 2003 г., величины общей щелочности и содержания растворенного неорганического углерода (рассчитанного по pH и Alk с поправкой на увеличение содержания биогенных элементов) в подледной воде были выше, чем изменения содержания кремния и фосфатов. Все это свидетельствует о том, что в пресном льду механизм осаждения карбонатного углерода или не протекает, или его интенсивность значительно ниже, чем в соленом льду. В другом случае рост величины Alk и содержания Ctot в подледной воде был бы значительно ниже, чем биогенных элементов.
Естественно, что состав талых вод отличается от состава речных вод. Влияние процессов образования и таяния льда на соотношение главных ионов изучено недостаточно. Однако часть исследователей полагают, что при образовании льда может происходить частичное осаждение карбонатов и накопление их во льду. В таком случае вода в ячейках рассола будет обеднена карбонатным углеродом, а при таянии льда произойдет обогащение вод карбонатным материалом [Реми, 1972; Цуриков, 1976; Richardson, 1976]. В работах [Пипко и др., 2015; Yamamoto-Kawai et al., 2005; Yamamoto-Kawai et al., 2009] за величину содержания Ctot, растворенного кремния, минерализации и величины Alk талых вод предложено брать средние для данного региона данные, полученные в экспериментах с таянием морских льдов. Однако мы считаем, что данный подход не вполне обоснован. Данные по химическому составу талых вод, во-первых, будут сильно зависеть от возраста льда, его происхождения и многих других факторов, во-вторых, при таком подходе игнорируется роль атмосферных осадков и, частично, материковых льдов. При своих расчетах минерализацию и содержание химических параметров так называемых «талых вод» мы полагали нулевыми. Если пренебречь изменением соотношения главных ионов при образовании льда, то, при таянии льдов, содержащиеся в них солевые ячейки, соединяясь с водой, просто образуют морскую воду со сходными для поверхностных вод данного района характеристиками. Таким образом, положение о «нулевом» составе талых вод просто приводит к небольшому занижению доли талых и атмосферных вод в формировании вод поверхностного слоя моря. 3.4. Обская губа
Обская губа эстуарием реки Обь и самым крупным заливом Карского моря, расположенным между полуостровами Гыданский и Ямал (рисунок 3.3). В юго-восточную ее часть впадают реки Надым и Ныда, образующие при впадении своем целый архипелаг островов. С западной стороны впадают в большинстве своем небольшие реки, из которых некоторые в низовьях доступны для небольших речных судов, например, реки Яда, Оя, Ивоча, Зеленая, Сеяха и другие. В восточной части залива от него ответвляется Тазовская губа, в которую впадает река Таз, а также река Пур. Длина губы – около 800 км, ширина – от 30 до 80 км, глубина – до 25 м, освобождается ото льда, кроме южной части, в июле и покрывается льдом в октябре. Для температурного режима губы характерны суровая продолжительная зима, сравнительно короткое и жаркое лето, короткие переходные сезоны – весна и осень. По многолетним данным, переход температуры воздуха через 0С в изучаемой части Обской губы происходит в первой декаде июня. Среднемесячная температура поверхности воды в июне изменяется в пределах от 0 до 8С. Переход температуры воздуха к отрицательным значениям отмечается в конце сентября, одновременно наблюдается появление плавучего льда. Прогревание вод Обской губы продолжается до конца июля начала августа (наибольшие значения среднемесячной температуры поверхности воды – 8.2–17.4С). В августе начинается охлаждение воды, которое длится до октября [Залогин и Родионов, 1969], когда и начинается ледостав. Над устьевой областью преобладают муссонные ветры, дующие летом с моря на сушу (ветры северных румбов), а зимой - с суши на море (ветры южных румбов). В течение периода открытого русла преобладают северные ветры, но велика также повторяемость и ветров северо-западного направления [Эстуарно-дельтовые системы…, 2007
«Талые воды» в Карском море
В мористой части Обской губы этот параметр достигает 60 М, а в районе 74 с.ш. составляет 40 М, далее на север, запад и восток содержание в морской воде кремния плавно снижается. Изолиния 10 М отмечает границу распространения речных вод и практически совпадает с изогалиной 24.
Представленное на рисунке 4.20 распределение общей щелочности в поверхностном слое дополняет анализ распределения указанных выше параметров в поверхностном слое и подтверждает распределение речных вод, относящееся к центральному типу. Стоит отметить достаточно высокое значение щелочности в водах Обской губы, на южных станциях разреза. Среднемноголетнее значение общей щелочности для вод Обской губы составляет 0.6 мг-экв/л, в то время как в 2013 г. минимальным значением являлось 0.9 мг 87 экв/л. Это говорит о том, что экспедиция не дошла до чисто речных вод, а южная станция была сделана в акватории, подверженной влиянию морских вод.
Столь далеко (приблизительно до 71 с.ш.) вглубь Обской губы морские воды могли проникнуть при продолжительном или сильном северном ветре. Данные реанализа NCEP/NCAR дают четкую картину того, что в период проведения экспедиционных исследований в 2013 г. над акваторией Карского моря преобладали северные ветры. Как показано в работе [Кубряков и др., 2015; Kubryakov et al., 2016], именно северный ветер соответствует центральному типу распространения речных вод в акватории Карского моря.
Расчеты вклада нескольких источников в формирование поверхностного слоя открыли весьма любопытную картину распределения (рисунок 4.21). Судя по нашим расчетам, воды енисейского происхождения в период проведения экспедиционных исследований не обнаруживаются в исследованной акватории моря. Лишь на одной из станций обского разреза было получено значение 17% енисейской воды в поверхностном слое, что, по-видимому, явилось остатком паводкового выноса енисейских вод к моменту отбора проб. В то же время воды обского происхождения составляли от 25 до 55%. Примечательно, что на южных станциях обского разреза содержание обской воды в поверхностном слое не достигло 100%, что является еще одним доказательством проникновения морских вод глубоко на юг по акватории Обской губы.
Вклад талых вод в поверхностный слой в 2013 г., так же как и в 2011 г., достаточно велик и составил 30–35% в центральной части моря; к границам распространения речного стока, описанным выше, доля талых вод снизилась до 10%. Столь высокое влияние талых вод на поверхностный опресненный слой вызвано ледовой обстановкой в конце 2012 -первой половине 2013 гг. вместе с относительно невысоким расходом Енисея. Лед, начавший формироваться во второй декаде октября, оставлял покрытой сплошным однолетним льдом (мощностью от 30 см до 200 см) всю акваторию Карского моря вплоть до конца мая. К концу июня сплоченность льда по всей акватории составляла 7–10 баллов, и лишь к концу июля юго-западная и центральная части моря полностью освободились ото льда. Стоит отметить, что к этому моменту расход Оби был в 1.5 раза выше, чем Енисея, и продолжал оставаться примерно на том же уровне, в то время как расход Енисея уменьшался. Соответственно к моменту старта экспедиционных исследований (начало сентября 2013 г.) в поверхностный слой было вынесено большое количество обской воды совместно с оставшейся талой водой, что и подтвердили результаты расчетов по гидрохимическим параметрам, а динамическое воздействие ветра способствовало такому распространению речных и других пресных вод.
Объяснение достаточно высокого содержания обских вод и практически полного отсутствия вод Енисея по результатам расчетов кроется в графике среднемесячного расхода воды в Оби и Енисее (рисунок 4.22).
На рисунке видно, что в мае начинается паводок на обеих реках, который в июне достигает своего пика. Здесь расход Енисея превышает расход Оби практически в полтора раза. Стоит отметить, что расход Енисея значительно ниже среднемноголетнего показателя для времени паводка (он составляет 80 000 м3/с), в то время как для Оби расход воды во время паводка, как и гидрограф в целом, эквивалентен среднемноголетним значениям. Таким образом, большой объем поступивших енисейских вод в июне, к моменту проведения работ, уже значительно перемешался с поверхностными водами центральной части моря, а в июле и августе преобладал расход Оби, поэтому вполне логично, что начавшиеся в сентябре работы на основе расчетов по гидрохимическим данным показали присутствие большой доли обских вод в поверхностном слое центральной части Карского моря. Дабы показать, что классический T,S-анализ при данном смешении малоэффективен, представим диаграмму для поверхностных вод обского разреза (рисунок 4.23). На ней видно, что в Обской губе при нулевой солености температура поверхностных обских вод достаточно далеко в южном направлении может достигать и даже превышать 8С, что в работе [Завьялов и др., 2015] указывалось как характеристика вод енисейских. В целом на разрезе температура воды на поверхности не опускалась ниже 7С, что может быть не совсем характерно для вод Обской губы, но, тем не менее, показывает, что использование T,S-анализа при выделении типов вод, формирующих поверхностный опресненный слой, для Карского моря не всегда может быть информативно, в то время как консервативность гидрохимических параметров сложно переоценить.
Для сентября 2013 г. ярко выражен «центральный» тип распространения материковых вод. Ввиду особенностей гидрологического режима вод Оби и Енисея с начала паводка до проведения работ, основная доля вод (28%) в поверхностном слое принадлежит обским водам, енисейские воды прослеживались слабо, на долю талых вод пришлось 22%.
57-й рейс НИС «Академик Мстислав Келдыш», 14.09 – 04.10.2011
Как говорилось выше, во время экспедиции 2007 г. было выдвинуто предположение о заметном влиянии малых водотоков с берегов Новой Земли на гидрохимическую структуру вод поверхностного слоя Карского моря. Для подтверждения данной гипотезы необходимо, в первую очередь, иметь данные о стоке малых рек и водотоков Новой Земли. К сожалению, как в литературе, так и в глобальной сети таких данных нет. В книге [Новая Земля, 2009] даны лишь общие описания для рек: длина русла не превышает 130 км, максимальная глубина 3 м и скорость течения 1.5–2 м/с, наиболее значительные реки находятся на Северном острове. К тому же, в связи с изменением климатических условий в Арктике, оценивать сток малых рек и водотоков на основе лишь литературных данных было бы неправильно, так как даже сибирские реки в 20 веке под воздействием изменений климата увеличили свой сток на 2-3% [Савельева и др. 2000]. Потому в настоящее время оценить воздействие стока на структуру прибрежных вод можно оценить лишь по косвенным признакам. И для этой задачи отлично подходят гидрохимические параметры, ведь воды Новой Земли и принимающие их воды Карского моря существенно отличаются по своим химическим свойствам.
Как отмечалось в предыдущем разделе, исследованные водотоки Новой Земли отличаются от морских вод по концентрации растворенного минерального азота, кремния, фосфатов, а также по карбонатному составу (рН и общая щелочность). Эти параметры и будут использованы для оценки влияния талых вод с Новой Земли на прибрежную экосистему моря. Для этой задачи были построены графики изменения указанных параметров в поверхностном слое. По шкале абсцисс за начало отсчета принимался один из водотоков Новой Земли, а при отсутствии такой возможности – максимально близкая к берегу станция. Шкала ординат показывает изменчивость указанного параметра. Всего на графиках используется 4 шкалы ординат: для фосфатов, силикатов, нитратного азота и общей щелочности. Ниже будет рассмотрена изменчивость гидрохимических параметров в поверхностном слое прибрежной акватории Новой Земли при приближении к берегу, с которого в летнее время активно происходит сток пресной воды.
Пространственная изменчивость гидрохимических параметров в поверхностном слое на разрезах к берегу Новой Земли. Вверху: 2007 г., внизу: 2011 г. при приближении к берегам Новой Земли. Так, на разрезе, нормальном к створу зал. Благополучия в 2007 г., на расстоянии 10–15 км от залива увеличивается концентрация фосфатов и нитратного азота, также несколько увеличивается достаточно консервативная величина – щелочность. Она увеличивается к берегу на 0.08 мг-экв/л ввиду отдаления от центра опресненной области. Это отражается и в концентрации кремния, которая наоборот, несколько уменьшается. Но это, как говорилось в Главе 4, связано с нахождением в прибрежной акватории Новой Земли вод, по-видимому, енисейского происхождения. Если же фоновой считать самую дальнюю от берега станцию 4963, то относительно нее концентрация кремния в заливе также увеличивается. Данные о химическом составе водотоков в зал. Благополучия в 2007 г. представлены в таблице 2 Приложения 2.
В 2011 г. разрез к Новой земле проходил через Новоземельский желоб, немного южнее траверза зал. Шуберта Южного острова. Как видно из рисунка 5.17 (внизу), амплитуда изменений гидрохимических параметров по сравнению с 2007 г. крайне невелика. В первую очередь, это объясняется положением разреза в области, не подверженной влиянию материкового стока, что является крайне важным фактором. Именно благодаря указанному факту удалось отметить увеличение в поверхностном слое содержания фосфатов и нитратов на расстоянии 14 км от берега (восточная станция разреза №5055 находилась в 4-х км от берега Южного острова). Также видно увеличение содержания кремния в поверхностном слое от 1 до 6 М в 20 км от берега. Щелочность по разрезу уменьшается от западной станции к берегу, амплитуда падения составила 0.1 мг-экв/л. Используя уравнение регресси для соотношения щелочность-соленость для поверхностных вод данного разреза, при нулевой солености (то есть в пресной воде, воздействующей на поверхностный слой) значение щелочности должно быть 0.75 мг-экв/л. Таким образом, изменчивость гидрохимических условий поверхностного слоя в данной акватории не может быть результатом затока баренцевоморских вод через пролив Карские Ворота, хотя такая ситуация возможна. Здесь имеет место воздействие именно пресноводного стока, причем локального происхождения. Судя по физической карте Новой Земли, в зал. Шуберта впадает некая река, которая и может влиять на прибрежную область данной акватории.
Столь интересные результаты о воздействии стока с Новой Земли вызвали интерес для дальнейших детальных исследований в заливах и прибрежной зоне. В экспедициях 2013 и 2014 гг. были выполнены подробные разрезы в зал. Благополучия приблизительно 20 км в длину каждый (рисунок 5.18). На разрезах было выполнено, кроме отбора проб в водотоках, 10 и 7 станций соответственно для 2013 и 2014 гг. Точки БШ-1 и Б-1 соответствуют одному и тому же безымянному водотоку в бухте Укромная зал. Благополучия.
На верхнем графике видно, что в целом в заливе (начиная со станции 12537) в поверхностном слое происходят незначительные изменения указанных параметров. Увеличение концентрации нитратов происходит при приближении к устью водотока приблизительно на 2 км. Также уменьшается щелочность вод в заливе, увеличивается концентрация кремния. В самом водотоке отмечается высокое содержание нитратов, силикатов и карбонатов.
Пространственная изменчивость гидрохимических параметров в поверхностном слое на разрезах к зал. Благополучия Новой Земли. Вверху: 2013 г., внизу: 2014 г. Практически такая же картина распределения гидрохимических параметров на разрезе в залив наблюдается и в 2014 г. Нитратный азот и силикаты увеличиваются на поверхности приблизительно в 4х км от устья водотока, тогда же практически в 2 раза снижается значение щелочности. Фосфаты ведут себя неконсервативно, максимум их перед устьем водотока предположительно связан с разложением в морской воде органики, содержащей большое количество фосфора. В самом водотоке обнаружено высокое содержание нитратов, силикатов, содержание карбонатов выше, чем в морской воде, достаточно высокое содержание фосфатов. По сравнению с 2013 г., увеличилось содержание нитратов при уменьшении силикатов, также повышен минеральный фосфор, щелочность воды в 2 раза ниже. Возможно, различия в химическом составе пресной воды связаны с климатическими условиями в период проведения работ в заливе: разная освещенность, температура воздуха и воды.
Залив Цивольки Новой Земли представляет собой залив фьордового типа, в него происходит абляция ледника Серп и Молот. С обеих сторон ледника имеются водотоки, внешне отличающиеся друг от друга, хотя явно питающиеся из одного источника. Один более быстрый и мутный, а второй медленный и прозрачный. По данным отборов проб из водотоков в зал. Цивольки в 2014 г. питаемые языком ледника ручьи несут в себе относительно мало нитратного азота, зато концентрация кремния в них 8 и 16 М соответственно. В водотоке точки Ц4, расположенной ближе к выходу из залива, нитратного азота и карбонатов в воде содержится несколько больше. Достаточно высокое содержание фосфатов как в водотоках, так и в зоне смешения их с водой залива (Приложение 2, таблица 4).
Итак, ручьи и небольшие речки в зал. Цивольки несут в себе большое количество растворенных солей. Влияние их на прибрежную акваторию залива показано на рисунке 5.19. Несмотря на абсолютные значения параметров, общая тенденция в увеличении растворенных форм азота, фосфора и кремния, а также уменьшения растворенных карбонатов в воде залива для 2013 и 2014 гг. сохраняется схожей с зал. Благополучия. На расстоянии 10–20 км от крайней станции или выбранного водотока происходит достаточно резкое увеличение указанных параметров. Относительно интенсивно снижается щелочность, характеризующая содержание карбонатов в воде. Исключение составил нитратный азот в 2013 г., не обнаружено его увеличения при приближении к берегу, как в 2014 г. По-видимому, это связано с разницей во времени исследований. В 2014 г. работы проходили в конце лета, тогда как в 2013 г. уже наступила осень, и нитратный азот был полностью аккумулирован фитопланктоном и стал лимитирующим элементов в его развитии. Впрочем, на расстоянии 25 км от берега в 2013 г. наблюдается максимум в поверхностном слое, вероятнее всего связанный именно с пресным стоком из залива. На таком расстоянии от берега, при отсутствии иных источников биогенных элементов, влияние стока ледниковых вод на прибрежную экосистему залива может быть определяющим.